광속불변의 원리

아인슈타인의 가설

아인슈타인(A. Einstein)은 에테르라는 매질의 존재가 부정되는 마이컬슨-몰리의 실험 결과를 수용할 수 있게 빛의 속력의 불변성의 가설을 도입하고, 또한 운동의 상대성 원리의 가설을 도입하여 시공간의 개념에 대한 일대 혁신적인 변혁을 불러 일으켰다. 이 새로운 이론체계가 바로 특수상대성이론(special relativity)인 데 이것이 미치는 가공할 만한 여파에 비하여 아인슈타인의 이 이론의 전제인 두 가설은 다음과 같이 너무나 간결하고 명확하다.

가정 1: 모든 관성계에서의 물리 법칙은 동일하다. (상대성 원리)

가정 2: 모든 관성계에서의 빛의 속력은 일정하다. (광속불변의 원리)

The laws by which the states of physical systems undergo change are not affected, whether these changes of state be referred to the one or the other of two systems in uniform translatory motion relative to each other. (The Principle of Relativity)

Light is always propagated in empty space with a definite speed c which is independent of the state of motion of the emitting body. (The Principle of Invariant Light Speed)

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아인슈타인(A. Einstein: 1879-1955)_아인슈타인은 20세기 가장 위대한 지성으로 인정받고 있는 물리학자이다. 그는 특수상대성이론, 광전효과, 브라운 운동, 일반상대성이론 등 혁명적인 이론을 제창했으며 1923년 노벨물리학상을 수상했다. 사진은 베른의 특허국 책상에 앉아 있는 1900년대 초반, 특수상대성 이론 등을 구상할 당시의 모습이다.

상대성 원리

가정 1은 관성계의 경우 그 관성계의 속력 등 운동을 관측하는 특별한 실험은 불가능하다는 것을 말해 준다. 서로 등속으로 운동하는 각각의 좌표계에서의 물리 법칙은 다름이 없으므로 절대기준계를 도입할 방법은 없는 것이다. 예를 들어 아주 고요하게 등속으로 움직이는 비행기를 타서 눈을 감고 있으면 비행기가 움직이는 것인지 도저히 느낄 수 없다. 이 경우 비행기 내부에서 고립된 채로 비행기가 움직이는 속도를 측정할 수 없을 뿐만 아니라 기준계를 설정하지 않은 속도라는 것은 의미가 없다.

이 원리는 실제로 오래 전 갈릴레오(G. Galileo)에 의해 처음 제안된 것으로 새로운 것은 아니다. 갈릴레오는 "속도의 크기나 방향에 관계없이 서로 상대적으로 일정한 속도로 운동하는 모든 관측자에게 물리학의 법칙은 똑같아야 한다."라고 제안하였다.

광속불변의 원리

이에 비하여 가정 2는 선뜻 받아들이기가 쉽지 않다. 달리는 기차에서 빛을 비추었을 때 그 빛의 속력을 바깥에서 관측하면 달라져야 하지 않겠는가? 기차에 타고 있는 사람이 기차가 진행하는 방향으로 공을 던지면 기차 밖에서는 공은 기차의 속도가 더해져서 더 빠르게 관측될 것이다. 음파와 같은 파동의 경우에는 약간의 차이가 있긴 하지만 속도가 상황에 따라 다르게 측정되는 것을 피할 수는 없다. 예를 들어 기차가 기적소리를 내면서 앞으로 달려가고 있을 때 기차 밖에서는 그 기적 소리의 진행속도가 정지한 기차가 내는 기적 소리와 다르게 측정되지는 않을 것이나 기차에 타고 있는 관측자의 경우에는 상황이 달라진다. 기차가 나아가는 방향으로의 기적소리의 진행속도는 느려지지만 반대방향의 경우 더 빨라질 것이다. 즉 파동이든 입자든 어떤 상황으로 관측하더라도 속도가 일정하다는 것은 받아들이기 힘든 것이다.

실제로 가정 2는 아인슈타인이 마이컬슨-몰리의 실험결과를 잘 설명하고 있다. 즉 빛의 속도는 에테르의 존재와 관계없이 일정하므로 에테르의 진행방향으로나 수직방향으로 왕복한 빛도 아무런 시간차이가 생기지 않는 것이다. 따라서 빛이 실려있는 매질로 호이헨스에 의해 도입되었던 에테르의 존재는 있어야 할 이유를 완전히 상실하였다. 아인슈타인이 1905년 광속불변의 원리를 가정하는 데는 마이컬슨-몰리의 실험결과가 영향을 미치지는 않았다. 실제로 이 결과를 몰랐다는 주장도 있으며 당시 아인슈타인을 괴롭힌 것은 그보다 50년 전에 정립된 고전전자기이론과 고전역학과의 사이에서 오는 모순 때문이었다. 아인슈타인은 어렸을 때부터 빛의 펄스를 빛의 속도와 같은 속도로 따라가면 이 펄스가 어떻게 보일까 하는 것에 대하여 많은 고민을 하였던 것을 알려져 있다.

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물리의 해 로고_아인슈타인의 상대성이론이 나온 100년을 기념하여 2005년을 세계 물리의 해로 선포하였다. 그림은 공간과 시간의 4차원에서의 빛원뿔(light cone)을 나타낸다.

광속불변의 원리는 지금까지 등속으로 운동하는 좌표계, 정지한 좌표계, 심지어 가속운동을 하는 좌표계 어디에서나 시간은 동일하게 흐르는 보편적인 물리적 개념이라는 인식을 포기하지 않으면 안되게 했다.

_ 일반상대성이론_ 브라운 운동_ 광전효과_ 호이헨스_ 음파_ 보일_ 파동